基于有色噪声模型的GPS速度场精度与时间序列长度相关性研究

利用2010—2015年陆态网络GPS连续观测站的三维站坐标时序资料, 在采用最大似然估计MLE方法计算得到云南地区GPS基准站三维站坐标分量最优噪声模型的基础上, 进一步定量对比分析了有色噪声和白噪声模型下陆态网络GPS连续站速度场稳定性与时间序列长度的关系。 结果表明: 在闪烁噪声模型下, 中国大陆大部分地区GPS连续站1 a时段的速度不确定度大。 而随着时间的逐年累积, 闪烁噪声模型下的速度不确定度与同时段白噪声模型下的差异逐步减小, 闪烁噪声模型下3～4 a时段的速度不确定度与同时段白噪声模型的差异小于0.2 mm。 研究说明在有色噪声模型下要获得高精度的速度场需要3～4 a的观测数据, 白噪声模型下GPS速度场精度可靠可信的前提是采用不少于3～4 a的数据。     

南极半岛地区GPS坐标时间序列噪声分析及形变模式初探

有色噪声广泛存在于各种连续GPS站坐标时间序列,对GPS时间序列分析有重要影响.利用GAMIT/GLOBK软件解算了南极半岛地区8个GPS测站2010—2014年的实测数据,对坐标时间序列使用主分量分析法(PCA)进行了空间滤波,利用CATS软件估计了不同噪声模型下和空间滤波前后的噪声量级、站坐标时间序列参数及其不确定度,最后对南极半岛地区水平和垂向的形变模式进行了分析和讨论.结果表明,南极半岛地区GPS时间序列不仅存在白噪声,还存在较大量级的闪烁噪声,部分测站E方向在滤波前可能存在随机游走噪声;空间滤波能够有效降低这三种噪声的量级,从而有效减小线性项和周期项估计的不确定度;南极半岛地区在水平方向主要表现为板块运动,还可能存在局部性构造运动;在垂直方向上由冰川均衡调整(Glacial Isostatic Adjustment,GIA)因素引起的抬升较小,主要表现为现今冰雪质量损失引起的弹性抬升运动.     

澳大利亚GPS坐标时间序列跨度对噪声模型建立的影响分析

坐标时间序列跨度对噪声模型建立存在较大影响。本文利用澳大利亚板块内10个连续GPS测站1998年1月至2009年7月的观测资料,采用4种策略分别以2.5年和递增的时间间隔,全面深入地分析了10个坐标时间序列的噪声特性变化,以及对应的速度及其不确定性的变化情况。通过分析10测站的噪声特性,发现采用假设白噪声加闪烁噪声组合的噪声模型与采用假设幂律过程的噪声模型具有等效性,其速度不确定性从时间跨度～9.5年开始趋于并且优于～0.2mm／a。同时,结果表明：采用长于9.5年的时间序列可以改善噪声对位置时间序列中速度以及不确定性的影响;并且在该区域不适合采用去除共模误差的空间滤波方法对时间序列进行处理;描述这些时间序列水平分量的最优随机模型为采用白噪声和闪烁噪声的组合。     

陆态网络GNSS基准站阶跃偏移量的精确估计

通过对发生阶跃的GNSS基准站坐标序列谱指数的求解,表明了其具有有色噪声的特性,并对三分量分别建立了最优噪声模型,以此对GNSS基准站坐标的阶跃偏移量进行了精确估计,探明了地震和仪器更换对测站产生的精细影响。同时利用求解的阶跃偏移量对坐标序列进行修正,对获取连续性变化的测站坐标序列和获取精确的测站三维运动参数具有重要意义。     

连续GPS测定的天山及其邻近地区垂向运动特征

基于中国大陆构造环境监测网络31个GPS连续观测站2011—2018年垂向坐标时间序列结果,顾及地壳垂向周期性运动得到了天山及其邻近地区的地壳垂直运动特征,结果表明:研究区内地壳垂直周期性运动显著,以年周期运动为主;大部分GPS连续站的年周期运动振幅在1.5～3.5 mm;27个测站半年周期通过检验,与年周期运动相比,其振幅较小,多在0.5 mm左右;天山及其邻近地区的地壳垂直线性运动呈山体隆升、盆地下降的趋势,显示该区域的长期地壳垂直运动为继承性,具体而言,塔里木地块的平均垂直运动速率为-0.88 mm/a,天山地块为0.25 mm/a,准噶尔地块为-0.29 mm/a.设计了三种垂向线性速率的求解方案,验证了求解地壳垂直线性运动速率时剔除非构造运动信息的必要性.     

汶川地震前后四川区域GPS时序特征演变及统计分析

为探索地震事件对GPS坐标时间序列的长周期影响,对汶川地震前后四川GPS观测网络长约10年的解算成果进行了多参数模型噪声特征分析.基于最大似然估计方法和频谱特性分析,提取了地震前后各测站坐标序列中的噪声分量,使用Λ-统计检验,得出"白噪声+闪烁噪声"模型可以作为四川GPS区域观测网络的最优噪声组合模型,同时,地震事件使得地震前后GPS噪声分量中的白噪声、闪烁噪声、随机游走噪声等发生显著改变,说明传统谱噪声分析中简单地将地震数据拼接在一起并进行统一处理的模式并不可取;使用共模误差分析方法、区域速度场变化趋势等信息对地震前后噪声模型的改变成因进行了初步的物理解析.     

香港GPS基准站坐标序列特征分析

利用香港GPS连续运行参考站网络2001年1月至2007年8月的观测资料,全面深入地分析了12个基准站坐标序列特征.本文采用主成分空间滤波算法去除公共误差,来提高坐标序列的信噪比,并采用最大似然估计准则定量估计滤波后坐标序列的噪声特性,计算了地球表面质量负荷（包括大气、非潮汐海洋、积雪和土壤水）对香港GPS基准站坐标序列的影响.研究结果表明：香港GPS基准站坐标序列具有高度的空间相关性,其公共误差具有较强的季节性变化特征;地表质量负荷变化引起的香港地壳形变可以解释公共误差序列中约为3mm的垂向周年变化,经过质量负荷改正后的公共误差序列与高阶电离层误差高度相关;滤波后坐标序列的噪声特性可以用可变白噪声加闪烁噪声模型来描述,顾及闪烁噪声所计算的速度误差要比只考虑可变白噪声计算的速度误差大2~6倍;基准站间存在达1.5 mm/yr的相对水平运动,揭示香港地区存在活动断层;部分基准站坐标具有明显的振幅为1～2 mm本地季节性变化,所有测站的残差序列也表现出强烈的季节性变化.     

连续观测站的噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络在全国布设的27个GPS连续站开始运行以来至2005年11月的站坐标时间序列. 在对数据进行清理的基础上， 分析了各站坐标分量噪声的功率谱密度， 计算了表征各分量的噪声特性的谱指数. 谱指数显示， 大部分站的各坐标分量时间序列的噪声可以用白噪声+闪烁噪声的模型来描述， 少部分则可用白噪声+闪烁噪声+随机漫步噪声的模型来描述. 采用最大似然估计准则， 定量估计了模型中的各噪声分量. 结果表明， GPS站坐标时间序列中白噪声甚至不是噪声的主要成分. 因此， 仅顾及白噪声得到的测站运动参数的误差估计， 实际上是过高的， 或者说是过于乐观的. 相应地， 对这些运动参数作出解释时， 如果不充分考虑这一因素， 有可能会对读者产生误导.      

GNSS垂向坐标时间序列周年项振幅的时变特征及成因分析

GNSS坐标时间序列中季节性信号的振幅表现出明显的时变特性.本文从全球范围内选取了468个GNSS测站的垂向坐标时间序列数据,对周年项振幅的时变特征和原因进行了深入探究.首先坐标时间序列数据在经过带通滤波后,进行分段最小二乘拟合,得到随时间变化的周年项振幅,并在此基础上,分析了振幅变化的量级大小和特点,发现全球测站周年振幅变化的平均幅度在1 mm左右,并且振幅的波动性具有明显的时空分布特征,忽略这种时变特性最大会造成2～3 mm的周年项残留.然后从环境负载和热膨胀效应入手分析了周年项振幅变化的原因及其对周年项振幅变化的贡献,发现环境负载和热膨胀位移与GNSS垂向坐标之间周年振幅变化的平均一致性在60%左右,而且经过两者改正分别有68%和76%的测站周年项振幅波动幅度出现了下降,由此提出环境负载和热膨胀效应是周年项振幅变化的重要原因.同时经过分析发现GNSS数据处理模型和策略也会引起周年项振幅的变化.     

GPS坐标时间序列中大气质量负荷最优改正方法分析

大气负荷会造成显著的测站坐标时间序列垂向季节性变化,其量级可以达到10~20 mm.本文通过对全球58个IGS基准站2007—2011年期间观测数据的解算,比较分析了不同大气负荷改正策略下的修正效果,确定了最优大气负荷改正方法.结果表明,在观测值层面对潮汐、非潮汐大气负荷进行统一改正是最优的改正方法,可以使80%以上测站的RMS值减小,日均值改正效果较差,只能改正约20%的测站.     

连续GPS观测中的相关噪声分析

分析了中国地壳运动观测网络GPS基准站位置时间序列中相关噪声的特性.利用最大似然估计反演了幂指数噪声的谱指数;考察了多种噪声模型,发现除闪烁噪声之外,约50%台站的东分量中的相关噪声可用"随机漫步噪声+一阶高斯-马尔可夫噪声"模型来描述,与其它分析机构产出的全球解并不一致,显示出处理策略的不同能够造成相关噪声的差异.白噪声和闪烁噪声的大小存在明显的地理分异,东南沿海台站的噪声要大于西北内陆台站.考虑相关噪声时,各站的速率估计方差要增大一个数量级以上,水平分量多在1mm/a以内,而垂向分量则较大.     

环境负载对云南地区基准站时间序列的噪声模型特性研究

以云南地区27个GPS基准站坐标时间序列为研究对象,使用赤池信息量和贝叶斯信息量估计准则（AIC/BIC）对其进行噪声分析,计算并扣除时间序列中大气负载、非潮汐海洋负载和水文负载3种环境负载引起的位移量,得到各基准站分量在环境负载改正前后的最优噪声模型。结果表明,部分基准站分量经过负载改正后最优噪声模型会发生变化,改正前后的大部分基准站噪声特性均体现为闪烁+白噪声和幂律噪声。环境负载对基准站的垂向位移影响比水平向更为显著,水文负载成为影响基准站的最大因素,最大位移量达到厘米级。分析环境负载改正前后噪声特性的变化表明,环境负载改正在U分量上的影响最大,N分量次之,E分量最小,噪声模型的变化在地域上并未呈现明显规律。     

利用GNSS连续观测资料获取高精度动态速度场的研究

基于计算获取的ITRF2005下中国地壳运动观测网络工程GNSS连续观测站1999~2013年的站坐标时间序列结果,采用小波分析方法和加权最小二乘法评定顾及周期性非构造运动和不同噪声影响的GNSS连续观测站的月时段、半年时段、年时段速度估值和精度,探讨利用GNSS连续观测时间序列获取稳定速度场与时间序列时段长度的关系。研究结果表明:剔除年周期和半年周期运动后可得到更稳定且精度更高的年时段和半年时段速度场,但月时段速度场结果离散度大;采用小波滤波方法可提高GNSS连续观测结果的可靠性,通过小波滤波分析逐步剔除白噪声、闪烁噪声和随机漫步噪声后计算得到的月时段速度的精度和离散度改进显著,可得到较稳定的月时段速度场。     

GPS基准站坐标分量噪声的时间序列与分类特征

根据地震预测对异常信息(长期、中期和短期异常)与噪声分离(白噪声、闪烁噪声和随机漫步噪声)的需要,文中应用小波方法对中国大陆的有关GPS基准站坐标分量和测站间坐标分量进行了分离,并将它们归纳为四类高频、中频、较低频和低频。通过对高频、中频和较低频的时间序列特征进行分类分析,获得如下看法:①高频类可能主要是白噪声造成的,其离散的程度较中频类略大,或许其中在某时刻包含临震前兆和震时形变信息;②中频类主要突出闪烁噪声的特征,或许其中在某时刻包含着短临前兆信息;③较低频类若剔除年和半年周期成分则显示随机漫步噪声的特点,或许其中包含着中期前兆信息;④低频类主要体现趋势性形变信息;⑤高频与中频类噪声的大小一般与观测季节明显有关,噪声最大的时段大约是8月份,噪声最小的时段大约是2月份;⑥判定不同频域信息的显著性时,其噪声要进行相应的综合或分离;⑦一定的空间域内的测站间坐标增量噪声平均小于测站相应坐标的噪声,而且噪声大小随时间的变化更加突出,甚至相差达一倍以上。这些可能说明,虽然这些噪声是GPS观测所固有的,但并非完全是独立的,测站间越近,共性的成分越突出。所有这些将为我们变形分析时信息显著性的判断、方法的选择、资料处理时权的确定、观测的最佳时段选择、跟踪监测方案制定和参考基准站的确定等提供重要的参考。     

中国区域IGS基准站坐标时间序列非线性变化的成因分析

GPS坐标时间序列呈现显著的季节性变化,通常认为大气压、非潮汐海洋负载及水文负载(统称为地表质量负载)是引起测站谐波变化的主要因素.本文计算了不同地表质量负载造成的测站位移,以此修正中国区域11个IGS基准站的坐标时间序列.建立了地球物理现象与测站季节性变化及噪声特性之间的初步数值联系,认为其会造成测站的噪声特性变化,主要表现为带通及随机漫步噪声特征,且仅能减小测站U分量的周年运动,但并不是造成测站U分量半周年运动及水平方向周年运动的主要原因.深入分析了造成中国区域IGS基准站非线性变化的其他可能因素,重点探讨了周日(S1)、半周日(S2)大气潮汐对基准站周年振幅的贡献,由此提出S1、S2大气潮汐是造成中国区域IGS基准站周年运动,尤其是中南部测站垂向周年运动的主要因素之一.     

美国中东部地震台阵波场的三分量波形梯度

波形梯度法是一种全新的台阵数据处理技术,该方法利用子台阵中的波形差异可以得到一些基本的地震波传播参数.本文首次将其应用于美国中东部地震台阵面波的三分量研究当中.首先通过垂向分量的面波进行波形梯度分析,得到垂直分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.再通过垂向分量得到的传播方向进行坐标旋转,从而得到了径向分量以及切向分量的面波,再将其应用于波形梯度分析,分别得到径向分量以及切向分量面波的相速度、传播方向、几何扩散和辐射花样.利用2012年8月27日发生在中美洲西海岸地震事件的三分量地震数据的面波波形得到的结果显示,在相同周期,研究区域的三个分量面波的相速度分布横向差异显著.切向分量面波的相速度分布特征差异较大,可能是由于径向各向异性造成的.三个分量的传播方向变化都不大,且切向分量的传播方向变化大于垂直分量与径向分量,说明地震波的切线分量在传播过程中受到的影响更大,同时还可以看出传播方向的变化呈现出条带状的特征.几何扩散和辐射花样都是与地震波的振幅项有关的信息,三个分量的几何扩散特征基本一致.但是由于切向分量传播方向变化相对较大,可能导致了切向分量面波的辐射花样有所差异.     

基于GPS测站垂向速度的南极地区冰川均衡调整(GIA)模型分析

由于数据稀缺,南极冰川均衡调整(glacial isostatic adjustment, GIA)建模相比北美和北欧古冰盖区域更为困难,现有GIA模型在南极地区还存在较大的不确定性.空间大地测量技术不断发展和进步,为GIA建模提供了外部检核和新的约束.利用GAMIT/GLOBK10.5软件对南极及周边区域73个测站1996～2014年的GPS数据进行解算和平差,并考虑有色噪声估计其地壳垂向运动速度.为了研究不同因素对地壳垂向运动的影响,将GPS测站垂向速度与Argus等(2014)、Thomas等(2011)的GPS结果以及各GIA模型预测结果划分区域进行比较,主要包括南极半岛北部、龙尼-菲尔希纳冰架、阿蒙森海沿岸、罗斯冰架、埃里伯斯火山、西南极内陆、东南极沿海等七个区域,结果表明在南极半岛北部和阿蒙森海沿岸派恩艾兰湾地区存在现今冰雪负荷变化引起的显著地壳弹性抬升,在埃尔伯斯火山区域存在的显著下沉可能与其地下岩浆活动有关,东南极沿海测站垂向运动速度都不显著,其他区域的测站垂向运动主要受到GIA的影响.对文章GPS结果与各GIA模型的相关性和GIA模型的不确定性进行分析,结果表明ICE-6G(VM5a)模型与文章GPS结果的一致性最好,其次是Geruo13模型,而W12a和IJ05_R2系列模型与本文GPS结果一致性相对较差.虽然目前南极GIA模型相比以前版本的模型有了很大改进,但是南极地区GIA建模的状况仍然不容乐观:GIA模型相比北美地区不确定性偏大,在BENN等部分测站上存在较大不符值,在现今冰雪负荷变化显著地区由于弹性改正模型不确定性偏大而缺乏精确GPS约束.     

云南GNSS时间序列共模分量提取分析

针对共模分量的精确获取问题,以2011—2018年云南31个GNSS连续站垂向时间序列为基础,选用区域叠加法和主成分分析法,提取得到共模分量的主要成分,对比分析了这两种方法的效果。结果表明:(1)由于云南垂向非线性运动空间一致性较好(测站间相关系数平均值为0.88),两种方法得到的共模分量较为一致;(2)两种方法提取得到的共模分量与全球水文负荷和大气负荷模型给出的位移时间序列接近(相关系数均为0.9),说明共模分量的主要成分为地表负荷变化引发的地壳垂向非构造运动;(3)共模分量不能用周期模型完全表示,还包含了年际间的运动差异等信息;(4)两种方法的空间滤波效果非常接近(WRMS减速比平均值都为0.70),测站的空间滤波效果与测站间相关系数呈显著的正相关。由于区域叠加法对测站数据完整率要求相对较低,因此建议当测站较少或者数据缺失较多时,采用区域叠加法;在测站较多且数据完整率较高时,建议采用主成分分析法。     

渤、黄、东海垂向位移负荷潮和自吸-负荷潮

采用Green函数方法,高分辨率中国近海区域海潮模型和TOPO7.0全球海洋潮汐模型,以及Gutenberg-BullenA地球模型计算了负荷潮.结果表明,渤、黄、东海M2垂向位移负荷潮振幅最大值出现在浙江外海约150km处,其值超过28mm;次大值位于仁川湾,超过20mm;第三大值位于北黄海东北部,超过14mm.S2垂向位移负荷潮在上述三处的振幅值分别超过10,8和4mm.K1和O1垂向位移负荷潮振幅在琉球群岛中北部附近为最大,分别超过13和10mm:向内海逐渐减小.半日分潮垂向位移负荷潮基本上与海洋潮汐对应分潮具有相反的位相.在东海大部和南黄海东部全日分潮垂向位移负荷潮与对应的海潮分潮基本上具有反位相的关系,而在渤、黄海其余海域基本上不具有反位相关系.在研究海区内,全日潮的垂向位移负荷潮不出现无潮点.自吸-负荷平衡潮分布特征与垂向位移负荷潮相近,其振幅大约是垂向位移负荷潮的1.2~1.7倍,其位相与垂向位移负荷潮基本上相反.M2最大振幅值也出现在浙江外海,超过42mm.     

不同海潮模型对中国大陆构造环境监测网络GNSS数据解算的影响

选取2018年中国大陆构造环境监测网络GNSS基准站及中国周边IGS站数据,基于CSR4、FES2004、GOT00、NAO99b等海潮负荷改正模型,采用单一变量的解算方式,分析不同海潮模型对我国GNSS基准站基线、三维坐标、时间序列等造成的影响。结果表明：利用不同海潮模型解算基线精度,水平方向相差不大于1 mm,垂向相差不大于3 mm;各测站NEU坐标精度均在毫米级以下,以耿马站时间序列为例,与其他模型相比,基于FES2004模型解算的各向偏差趋势波动较弱,其年序列图的精度及连续性、稳定性更佳。简言之,利用FES2004海潮模型解算GNSS站点位置,效果较好。